VERBINDUNGEN ANALYSIEREN UND SIMULIEREN 1 Verbindungen analysieren und berechenbar machen Fügeprozesssimulation Durch die enge Verknüpfung von Simulationsmethoden und Durch Fügeprozesssimulationen können Informationen über experimentellen Untersuchungen sowie langjähriger Erfahrung die Verbindung wie Vorverfestigungen, Vorschädigung oder und Expertise auf den Gebieten der Bruchmechanik, Schädi- Eigenspannungen gewonnen werden, die experimentell nur gungs- und Versagensmodellierung erarbeiten wir spezielle mit großem Aufwand bestimmt werden können. Diese Infor- Lösungen auf dem Gebiet der Fügeverbindungen. mationen verwenden wir sowohl zur Verbindungsbewertung als auch zur zusätzlichen Verbesserung von numerischen Wir charakterisieren gefügte Verbindungen aller Art bezüglich Verbindungsmodellen. Zudem bieten Prozesssimulationen die ihrer mechanischen Eigenschaften und bewerten sie im Hin- Möglichkeit, die Ausbildung verbindungsspezifischer Größen blick auf ihr Verformungs- und Versagensverhalten. und Prozessstreuungen abzubilden und zu bewerten. Mit Detailmodellen simulieren und durchleuchten wir das me- Simulation des Fügeprozesses von mechanischen chanische Verbindungsverhalten und finden Erklärungen für Verbindungen beobachtete Effekte im Belastungs- und Versagensverhalten. Durchführung von Prozesssimulationen mechanisch gefügter Unser Schwerpunkt ist geeignete Ersatzmodelle für Verbin- Ausgabe von Geometrie und Prozessgrößen zur Erstellung Verbindungen (z.B. Halbhohlstanznieten, Vollstanznieten) dungen in der Crashsimulation zu entwickeln. Nur so kann die Vielzahl von unterschiedlichen Verbindungstypen in ganzen Fahrzeugstrukturen rechnerisch berücksichtigt, analysiert und von Verbindungsdetailmodellen Abbildung der Auswirkungen von Variation und Streuung der Fügeprozessparameter deren Tragfähigkeit vorhergesagt werden. Damit kann das mechanische Verhalten von gefügten, größeren Strukturen Simulation des Fügeprozesses von Hybridverbindungen rechnerisch optimiert werden. Berücksichtigung des Klebstoffverhaltens während des Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die Vorhersage von Eigenspan- Beurteilung der Ausbildung von Hybridverbindungen nungen und Verzug beim thermischen Fügen mithilfe der Geometrie und Prozessgrößen zur Erstellung von Verbin- Fügeprozesses rechnerischen Schweißsimulation. Ebenso ermitteln wir die dungsdetailmodellen mit Klebstoff Prozesseinflüsse auf die Eigenschaften der Verbindung durch die Simulation der Fügeprozesse, wie z.B. des Stanznietprozesses. Simulation des Schweißprozesses Beurteilung und Optimierung der Eigenspannungen Die Themenvielfalt am Fraunhofer IWM ermöglicht es uns, zielgerichtet Erkenntnisse aus weiteren Forschungsgebieten wie Tribologie, Ermüdung, Blechverarbeitung oder Crash mit dem Thema »Fügeverbindungen« zu kombinieren, um weiterführende Problemstellungen zu bearbeiten. und des Verzugs durch den Schweißprozess Berechnung der Ausprägung von Schweißverbindungen und ihrer Mikrostruktur Berechnung der Mikrostrukturentwicklung Numerische Verformungs- und Versagensmodellierung Experimentelle Verbindungscharakterisierung Numerische Methoden ermöglichen es, einen tiefgehenden Exakte Kenntnisse über die Ausprägung und das Verhalten von Einblick in das Verformungs- und Versagensverhalten von Verbindungen bilden die Grundlage für jede konstruktive Ver Verbindungen zu erlagen. Dies ist mit experimentellen Metho- bindungsauslegung und ermöglichen es, den Einsatzbereich der den nur eingeschränkt möglich. Deshalb erstellen wir detaillierte Verbindungstechnik optimal auszunutzen. Experimentelle Kenn- Simulationsmodelle von thermischen und mechanischen Verbin- werte bilden die Basis für hochwertige Simulationsmodelle, deren dungen, mit denen das Verformungs- und Versagensverhalten Modellparameter zu bestimmen und neu entwickelte Modelle zu unter quasistatischer und dynamischer d.h. crashartiger Belas- validieren. Deshalb führen wir standardisierte und speziell konzi- tung analysiert werden kann. Mit Hilfe dieser Ergebnisse erstel- pierte Experimente an gefügten Verbindungen durch. len wir neue Ersatzmodelle, die z.B. in der Fahrzeugcrashsimulation zur Optimierung der Sicherheit zur Anwendung kommen. Statische und dynamische d.h. crashartige Versuche an einem Fügeelement Simulation des Verbindungsverhaltens mit einfach überlappte Scherzugversuche für Scherbeanspruchung detaillierten Modellen Versuche mit Doppel-U-Profil und Kreuzzugprobe für Normal- Identifikation optimaler, zonenspezifischer Werkstoffmodelle Bestimmung geeigneter Werkstoffparameter Statische und dynamische Simulation unter einfachen und beanspruchung Schälzugversuche für Biege- bzw. inhomogene Zugbean spruchung komplexen Lastzuständen Komplexe Versuche zur Verbindungscharakterisierung Methodenentwicklung zur Ersatzmodellierung von Fügeverbindungen für die Crashsimulation Überprüfung der Eignung von Ersatzmodellen für die Crashsimulation von Fügeverbindungen Bauteilähnliche Versuche (z.B. 3-Punkt Biegeversuche, T-Stoß-Probenversuche) Zug- und Durchstoßversuche mit inhomogener Mikrostruktur einer Schweißverbindung Bestimmung von Ersatzmodellparametern Versuche an durch Fügeelemente vorgeschädigten Proben Aufbau und Entwicklung neuartiger und verbesserter Bruchmechanische Versuche an gefügten Proben Ersatzmodelltechniken Validierung von Ersatzmodellen anhand von Bauteilversuchen und -simulationen Versuche zur Charakterisierung von Werkstoffzonen Zugversuche in unterschiedlichen Größen mit zonenspezifischer Entnahme und Gleeble-Versuche Entwicklung von Methoden zur Tragfähigkeits- Versuche zur multiaxialen Versagenscharakterisierung abschätzung Systematische Analyse von experimentellen Daten Metallographische Untersuchung der Verbindung Herleitung von funktionalen Zusammenhängen und Schliffbilder und Lichtmikroskopie zur Verbindungsbeurteilung Modellen für die Tragfähigkeit in Abhängigkeit von Verbindungskenngrößen Validierung durch Experimente und Simulationen Härtemessungen und -mapping zur Identifikation von Werkstoffzonen und Vorbelastungen Bestimmung von charakteristischen Verbindungsgrößen © S.K.U.B Photostudio FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR WERKSTOFFMECHANIK IWM, FREIBURG Wir erarbeiten bedarfsgerechte Lösungen in maßgeschneiderten Auftragsforschungsprojekten und sichern damit den Vorsprung unserer Kunden am Markt Wir arbeiten in Projekten. Das Spektrum der Projektarten ist vielfältig und reicht von Materialuntersuchungen im Kundenauftrag über bilaterale Auftragsentwicklungen bis zu strategischen Gemeinschaftsforschungsprojekten mit öffentlicher Förderung. Unsere Arbeiten richten sich nach den operativen Fragestellungen unserer Auftraggeber, dem strategischen Forschungsbedarf ganzer Industriebereiche und den gesellschaftspolitischen Herausforderungen. Wir übersetzen die werkstofftechnischen Fragestellungen unserer Auftraggeber in klar strukturierte, nachvollziehbare und kalkulierbare Projekte. Ansprechpartner Fügeverbindungen Dr. Silke Sommer Matthias Bier Gruppenleiterin Fügeverbindungen Telefon: +49 5142-481 Telefon: +49 5142-266 [email protected] [email protected] Fraunhofer IWM Institutsleiter Öffentlichkeitsarbeit Wöhlerstraße 11 Prof. Dr. Peter Gumbsch Thomas Götz Telefon +49 761 5142-153 79108 Freiburg Telefon +49 761 5142-0 Stellvertretende Institutsleiter [email protected] Prof. Dr. Chris Eberl www.iwm.fraunhofer.de Dr. Rainer Kübler [email protected] 135_1511_d 1
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